ブロックチェーン特殊シリーズ「トリプルパラドックス」のスケーラビリティ

JD Zhilian Cloud 製品研究開発部 Pan Xizhi 氏

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• JD Zhilian Cloud 製品研究開発部 Pan Xizhi 氏

• ビットコインの登場により、ブロックチェーン技術は過去10年間でますます多くの人に認知され、デジタル経済時代の価値ネットワーク基盤を構築してきました。ブロックチェーンパブリックチェーンの背後にある経済モデル、コンセンサスメカニズム、暗号化などの技術的問題の中で、常に話題になり続けている「トリレンマ」問題（「不可能な三角形」問題としても知られています）があります。ブロックチェーンパブリックチェーンでは、「分散化」「セキュリティ」「スケーラビリティ」という3つの特徴をうまく組み合わせることができません。

• 「分散化」とは、誰もがノードとしてブロックチェーンシステムの作成や検証に参加できることを意味し、ノードの数が増えるほど分散化の度合いが高まり、これがブロックチェーンを従来のインターネットシステムと区別する中心的な機能でもあります。

「セキュリティ」とは、ブロックチェーンシステムの制御を得るために支払うコストのレベルを指し、コストが高いほど安全性が高くなりますが、これはブロックチェーンシステムが参加者間の「合意」を形成するための基盤でもあります。

「スケーラビリティ」とは、ブロックチェーンシステムがトランザクション情報を処理する能力を指し、これはトランザクション処理性能、つまりTPS（1秒間に処理されるトランザクション数）に大きく依存します。スケーラビリティが今日のブロックチェーンの鍵であることは事実によって証明されています。このシステムを実際のアプリケーションシナリオに適用できないという最大の障害（ビットコインなど）があり、この結果の主な理由は、各トランザクションがすべてのノードで合意される必要があり、ブロックチェーンシステムに参加するために各ノードが支払うコストです。

実際、「トリレンマ」では、3 つの特性にはそれぞれ独立した技術開発ルートがあり、1 つの特性を犠牲にしても別の特性を改善できるというわけではありませんが、既存の技術条件下でのみ、ブロックチェーン システムがその特性を最大化したい場合に限ります。これら3つの特徴を統合するには、通常トレードオフが存在し、さらに「三者構成」のうち「分散化」と「セキュリティ」を抜きにしては話になりません。したがって、さまざまなブロックチェーンパブリックチェーンシステムが「トリレンマ」問題を突破しようとするとき、最も一般的な優先事項は、TPSのパフォーマンスを向上させてシステムを最適化することであることが長年にわたって見てきました。

スケーラビリティについて話す前に、まずスケーラビリティにおける中心的な指標「TPS」の概念を理解しましょう。

TPS (Transaction Per Second) とは、システムによって 1 秒あたりに処理されるトランザクションの平均数を指します。ブロックチェーン パブリック チェーン システムの場合、TPS はシステムのパフォーマンスを測定するための重要な指標です。TPS は、合計トランザクション数を次の値で割って計算されます。この期間の秒数は平均値です。この平均値は、システムが 1 秒あたり同じ量のトランザクションを処理することを意味するものではありません。各期間にシステムによって処理される実際のトランザクション数は、多いか少ないかによって決まります。低ビットコインを例に挙げると、ビットコインの 2 つのブロック間の間隔は 10 分 (600 秒) であるため、この間にパックされたブロックに 2400 のトランザクションがある場合、ビットコインの TPS は 2400/600 = 4 になります。実際、ビットコインの TPS はわずか約 4 です。画像の説明）

ビットコインの過去の取引量チャート（上の写真はJD Zhilian Cloudからのもの）

BDS ブロックチェーン データ サービス

比較のために、ここにいくつかの参考データを示します。Visa は約 1600TPS (ピーク値は 56000TPS)、Netlink Double 11 アクティビティのピークは約 100,000TPS、現在の主流のブロックチェーン システムであるイーサリアムは現在約 20TPS、集中領域のブロックチェーンシステムXRPは約1500TPSしかありません。

理論的には、帯域幅が無限で、データ送信遅延が無限に小さく、計算能力が無限に強い場合、ブロックチェーン システムにおけるデータのコンセンサス効率は無限に高く、TPS も無限に高くなります。現実、参加 ブロックチェーン システムのほとんどのユーザーの帯域幅とコンピューター処理能力は非常に限られているため、ブロックチェーン パブリック チェーン システムの設計者は、ユーザー ネットワークの最適なパフォーマンスを確保しながら、ユーザー ネットワークのエネルギー消費を最小限に抑える必要があります。ネットワークは非常に大きな課題となっています。

近年、さまざまなパブリック チェーン プロジェクト関係者がシステム TPS を改善する新しい方法を発見し、POW、POS、クロスチェーン、シャーディング、DAG、非同期コンセンサス グループ、ゼロ-などの関連する専門用語が業界で登場しました。知識の証明など。

画像の説明

NSDI の非同期コンセンサス グループに関する論文

これらの技術のうち、現在ブロックチェーンパブリックチェーンシステムのスケーラビリティを向上させる（主にTPS向上）方法として主流となっているのは、大きく分けて以下の3つである。1つ目はコンセンサスメカニズムの変更、2つ目はDAGネットワ​​ークの置き換え、3つ目はDAGネットワ​​ークの置き換えである。クロスチェーン技術の採用、4つ目はフラグメンテーション技術の使用です。

1. コンセンサス メカニズムを変更する: ビットコインで使用されている POW (Proof-of-Work プルーフ オブ ワーク) コンセンサス メカニズムに加えて、業界でより一般的なものは、POS (Proof-of-Stake Proof of Interest)、DPoS ( Delegated Proof of Stake)、Delegated Proof of Equity)、Algorand (POS アップグレード、純粋な資本証明)、PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerance、実用的な Byzantine フォールト トレランス アルゴリズム) など、さまざまな「アップグレード版」や「改良版」を数えると、 」では、少なくとも数百のコンセンサスメカニズムが見つかりますが、これらのコンセンサスメカニズムの出現は主に、ビットコインで使用されるPOWによって引き起こされるTPSの欠如を改善するためのものです。改善の過程で、各コンセンサスメカニズムもさまざまな採用を行ってきました。トレードオフと妥協。

これに基づいて、PoS や Algorand など、Pow の本来の意図を完全に逸脱するコンセンサス メカニズムが出現しました。これらのコンセンサス メカニズムは、PoW メカニズムの「マイニング」概念を覆し、ユーザーに「最大の既得権益」であることを宣伝することを目的としています。システムはシステムに害を及ぼすことはありません。」 「コンセンサスの概念 (従来の企業における株主メカニズムと同様)、これらのメカニズムは多かれ少なかれ分散化を犠牲にするため、ユーザーは基本的にマイニングする必要がなく、大量のハッシュ計算プロセスがないため、ユーザーが参加して PoW よりも大きなサイズのブロックを生成するため、当然、TPS パフォーマンスは PoW よりもはるかに高くなります (一部のパブリック チェーン プロジェクトでは、数百万または数千万の TPS に達すると主張しています)。

2. DAGネットワ​​ークの置き換え：ブロックチェーンの基本構造はブロックをチェーン状に接続することですが、DAG（Directed Acyclic Graph）はチェーン構造をネットワーク構造に置き換え、トランザクション領域を解消します。各トランザクションを他の複数のトランザクションと接続することで置き換えられ（後のトランザクションは前のトランザクションを検証します）、各トランザクションは相互に検証して合意に達することで、トランザクション量によってDAGの全体的な検証効率を向上させ、最終的に達成しますTPS向上が目的。

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ただし、DAG の長所と短所も明らかです。最初に利点について話しましょう。DAG の主な利点は 2 つあります。1 つは、限られた帯域幅の条件下で、DAG は非同期かつ同時の方法でより多くのデータを記録できることです。 TPS の向上 DAG 構造は、従来のチェーン構造の計算能力が大きすぎる場合の計算能力の無駄と、容易に分岐する問題を回避します。DAG の主な欠点は 2 つあり、1 つは最終トランザクションの確認時間がかかることです。制御不能であること（新しい確認に依存することによる安定性の欠如）、2つ目は、セキュリティの観点から、ビットコインのような大規模な検証を経験していないことです。

3. クロスチェーン技術を採用 クロスチェーンにはマルチチェーンとサイドチェーンの2種類があり、マルチチェーンとはその名のとおり、複数のチェーンを並行して利用して取引を行うことです。 -チェーン方式では、複数のチェーンを並行してTPSする必要があります。シングルチェーン方式に比べて大きいですが、取引量の増加に伴い、クロスチェーンデータの相互通信需要が随時増加し、資金移動が発生する可能性があります。したがって、マルチチェーン並列処理の実装では、TPS の計算は単純な累積であることがよくあります。オラクルマシンなどのクロスチェーンテクノロジーの成熟により、マルチチェーンには大きな発展の可能性があるはずです。

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サイドチェーンテクノロジーは「オフチェーンステートチャネル」としても知られています。これは、ユーザー間に一時的なオフライントランザクションチャネルを構築し、すべての中間トランザクションはチェーン外で発生し、最終状態のみがメインブロックチェーンで検証され、問題を解決します。 TPS プレッシャーは、同じペアのユーザーによる頻繁なトランザクションによってブロックチェーン システムにもたらされ、間接的にブロックチェーン システムのスケーラビリティを向上させます。たとえば、2 人の商人が 1 日に何度も取引していましたが、最終的には両者が 1,000 回以上取引していたことがわかりましたが、取引金額はたまたまゼロに相殺されただけです。サイドチェーンテクノロジーの最適な応用シーン。これは、Project Bitcoin の Lightning Network と Ethereum の Raiden の略です。ただし、サイドチェーンはブロックチェーン システムへの圧力を軽減するのに役立ちますが、その TPS 量はブロックチェーン システムの TPS に含めるべきではないことを強調する必要があります。

4. シャーディングテクノロジーを使用すると、シャーディングテクノロジーは、各トランザクションブロックがブロックチェーンネットワークに分解された後に各シャードを解放し、各シャードが並列状態になるため、各ノードがすべてのトランザクションデータをダウンロードする必要がなく、それにより、トランザクションのパフォーマンスが大幅に向上します。ブロックチェーンシステムの処理速度。シャーディング テクノロジーとクロスチェーン テクノロジーの最大の違いは、すべてのシャードが同じチェーンに基づいていることであるため、異なるシャード間を効率的に調整して、コンセンサスの順序と正確さを維持することは非常に困難であることに注意してください。

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ブロックチェーンとデータベースの断片化の比較の模式図